玉米秸秆制备低聚木糖的研究进展*

潘 晴 孙丕智 徐文彪 李翔宇 时君友

（北华大学材料科学与工程学院，吉林 132013）

面对能源危机以及环境污染问题，人们将视线转向可再生农林生物质的开发与利用。我国一直以来都是一个农业大国，以玉米秸秆为代表的农林生物质原料来源广泛、价格低廉，在很多方面有着巨大的潜在利用价值，玉米秸秆高值化利用是近几年来的热点话题[1]。目前，利用玉米秸秆生产燃料乙醇及其他生物化学品、生物复合材料等技术已经基本成熟，以农林生物质材料制备新型功能性聚合糖——低聚木糖（xylooligosaccharide，XOS）逐渐成为研究者的研究热点。低聚木糖是半纤维素的降解产物，是一种有助于调节肠道微生态平衡、促进肠道健康、增强营养吸收和提高免疫力的功能性非消化性低聚糖，广泛用于医药保健品、食品等领域，具有巨大的市场潜力[2-3]。一般而言，使用木质纤维素原料制备低聚木糖大致有两种方法：一种是采用酸解法、蒸煮法、微波法等将木质纤维素原料直接降解为低聚木糖，但是该方法所制得的低聚木糖不仅产量低而且纯度低；另一种则是预处理-酶解法，即首先对原料进行预处理，然后利用木聚糖酶进一步水解，相比于第一种方法，该方法得到的低聚木糖产率高、纯度高，故广泛应用于工业化生产[4]。本文从预处理角度出发，综述了酸水解法、碱水解法、碱性过氧化氢法、水热法、有机溶剂法、超声波微波辅助法等几种预处理方法的相关研究与应用，并阐述了酶解法制备的低聚木糖的分离纯化方法，旨在提高低聚木糖产率及纯度。

1 玉米秸秆生物质资源

木质纤维素（Lignocellulose）在各类禾本科植物中以及针叶、阔叶材中分布较多，主要包括纤维素(Cellulose)、半纤维素(Hemicellulose)、木质素(Lignin)。这三大组分在植物细胞壁上形成“钢筋混凝土”结构的超分子复合物，构成植物细胞壁的基本骨架[5]。正是由于这三大组分含量与比例可观，利用其生产高附加值产品，将农林废弃物“变废为宝”成为炙手可热的研究问题。不同生物质材料中三大组分的比例也不同，但一般情况下，纤维素含量最多，占干重的34%～50%；半纤维素含量居中，占干重的20%～40%；木质素含量最低，占干重的11%～20%。此外，还包含少量灰分、抽提物等。玉米秸秆中，纤维素占34%，半纤维素占24%，木质素占15%[6]，其中半纤维素主要为木聚糖类半纤维素，为利用其制备低聚木糖提供基础。玉米秸秆的结构差异性很大，从组织结构上来讲可以分为叶、秆皮和髓芯三部分，这三部分无论是从外观上来说还是内部成分上都截然不同[7]，进而影响半纤维素的提取和低聚木糖的产率。图1 为玉米秸秆半纤维素结构，主链是以平伏键构型的β-1,4 糖苷键连接的吡喃式木糖基，支链C3 位上有L-呋喃式阿拉伯糖，C2位上有吡喃式葡糖糖醛酸，同时存在木糖基和乙酰基（木糖乙酸酯）支链[8]。

图1 玉米秸秆半纤维素结构Fig. 1 Hemicellulose structure of corn stalk

2 不同预处理方法分离半纤维素

在植物细胞壁中，半纤维素以氢键和范德华力与木质素紧密连接，使得植物细胞之间具有一定的抗降解能力，采用预处理方法能减弱这种抗降解能力。不同预处理方法的原理不同，但都是通过破坏三大组分之间的连接键，提取出半纤维素。理想的预处理方法具备高效、价格低廉、操作简便等优点，图2 形象地表达了木质纤维素的预处理过程[9-11]。

图2 木质纤维素预处理过程Fig. 2 Pretreatment process of lignocelluloses

2.1 酸解法预处理

酸解法就是用氢离子断裂纤维素与半纤维素之间的连接键，提取出半纤维素，根据酸的浓度不同可分为超低酸预处理、稀酸预处理以及浓酸预处理。浓酸预处理酸度过高，不仅对设备腐蚀严重，还会伴随着大量副产物的生成，抑制反应速率、影响产物的纯度[12]，一般不常用。

常用的酸溶液有HCl、H2SO4、HAC等，这三种酸在相同条件下处理秸秆：HAC预处理的秸秆低聚木糖产率最高为45.91%，其次是HCl和H2SO4，分别为22.54%、9.38%；在扫描电镜下观察HAC处理的秸秆发现大量微孔，秸秆的表面更加粗糙、疏松[13]。HAC是一种弱酸，对设备腐蚀性较小且水解效率高，常常作为酸解法的首选溶液。王安等[14]选用冰乙酸处理玉米秸秆，发现一定范围内，随着反应时间和温度的提高，水解速度会相应加快。时间、温度与半纤维素的去除率具有相关性，时间的适当延长可促进半纤维素的溶出，温度为反应过程提供能量。试验结果表明：在温度190 ℃、冰乙酸用量为1%、保温时间为120 min时，半纤维素去除率最高[15]。基于综合化学和结构分析，适当的反应时间、温度及酸浓度能破坏乙酰基，提高秸秆孔隙率。

2.2 碱法预处理

碱法预处理原理在于木质素溶于碱性溶液，碱离子能够破坏连接纤维素与半纤维素的氢键和半纤维素与木质素之间的酯键。碱法预处理的优点在于能够在不过度破坏半纤维素完整链形的前提下有效分离出半纤维素[16]。但这种方法得到的产物含盐量较高，需要进行适当除盐纯化。碱法预处理常用于商业半纤维素的制备，通常用的碱性溶液有KOH、NaOH、Ca(OH)2、Ba(OH)2、液氨等。综合比较，KOH、NaOH是最理想的碱性溶液[17]。

玉米秸秆分为叶、髓芯、秆皮三部分，秆皮半纤维素的含量最小，叶半纤维素的含量最大。然而有研究表明，叶组织更易受到预处理条件的影响，半纤维素的纯度相对较劣，因此髓芯组织比叶组织更适宜提取半纤维素[18]。但半纤维素的提取主要受到碱浓度和温度的影响，适当的碱浓度与温度能有助于破坏木质素和半纤维素的连接键。碱浓度低时木质素更多地结合半纤维素，碱浓度增加后木质素的相对分子质量明显降低，高碱浓度能破坏木质素与半纤维素的连接键。NaOH浓度在4%～12%时，半纤维素的重均相对分子量从48.6 KD减小至32.0 KD，大分子量半纤维素降解为小分子量半纤维素，含量在60%～82%。刘凯旋等[19]通过试验表明，10%（w/v）的NaOH是最适宜的碱法预处理浓度。温度直接影响碱液的扩散速率，随着温度的升高，传热传质的速率增大，半纤维素产量也会增加，在90 ℃后产率增加缓慢，90 ℃为最佳提取温度。此时，半纤维素的回收率为76.92%，木聚糖纯度为63.90%，碱能有效脱除木质素和灰分，提高酶的可及性。

2.3 碱性过氧化氢法预处理

碱性过氧化氢法（AHP）具有在反应温和的条件下将木质素有效脱除的能力，是近些年来广受欢迎的木质纤维素预处理方法。由于H2O2在碱性条件下不稳定，极易分解为羟基自由基和超氧阴离子自由基，因此木质素的脱除关键就是条件反应溶液的pH值。一般pH值在11.6 左右时的解离程度最大，H2O2衍生的自由基能有效扩散，同时破坏玉米秸秆各个部分，打破纤维素-半纤维素-木质素之间的紧密结构，有助于分离半纤维素，提高酶解效率[20]。

有研究人员深入研究了对秸秆的氧化剂和碱性溶液耦合预处理，尤以AHP法效果良好。Li等[21]采用AHP法处理玉米秸秆，用NaOH调节溶液pH值为11.5，反应结束后，化学分析结构表征表明：AHP法破坏了纤维素-半纤维素-木质素网络的致密结构，脱除了91.53%的木质素和55.77%的半纤维素，并且使纤维素可及的孔体积增加了6 倍，暴露的纤维素面积增加了一倍，几乎消除了半纤维素中的乙酰基，对酶解具有积极作用。此外，H2O2不仅能辅助NaOH处理玉米秸秆提高酶解率，还能脱色。经NaOH处理的秸秆溶液为棕黑色，经H2O2+NaOH处理的秸秆溶液颜色明显变浅[22]。

2.4 有机溶剂法预处理

有机溶剂预处理具有其他化学法无法比拟的突出特点，如提取的半纤维素纯度高、活性好、结构上更接近半纤维素的原始结构。另一方面，在半纤维素的提取过程中，有机溶剂法能避免乙酰基的水解而脱除，这是优于酸法、碱法的特殊之处。一般常用的有机溶剂有二甲基亚砜（DMSO）、二氧六环等[23]。然而，有机溶剂同时会带来严重的化学污染，这限制了该法的大规模工业应用。

有研究表明，FeCl3催化DMSO预处理玉米秸秆能选择性提取半纤维素的含量高达100%，此外还能去除36.4%木质素。同时，由于DMSO沸点高达189 ℃，允许在非封密条件下进行反应，相比其他低沸点的有机溶剂，其操作环境更加简易。此外FeCl3是一种路易斯酸，能很容易断裂半纤维素与木质素的连接键[24]。有机溶剂法是一种极具潜力的玉米秸秆预处理技术。李丽君等[25]利用8 种不同溶剂处理棉秆后经DMSO抽提，分离半纤维素组分，凝胶渗透色谱显示表明，经碱处理后DMSO能提取出相对分子质量较高的半纤维素，且半纤维素主要为木聚糖。

2.5 水热法预处理

水热法又称自水解法，反应过程中只有水和原料的参与，利用高温水的特性，加压加热来破坏木质纤维素结构，从而提取半纤维素。玉米秸秆中的乙酰基可以抑制半纤维素的水解，水热预处理在脱乙酰化反应中起着非常重要的作用，这是由于水的自电离促进半纤维素中的糖基和乙酰基水解，从而维持更高的反应速率。水热法类似于酸解法，需要严格控制水解液的pH，抑制副产物的生成。

木聚糖是以木质素-木聚糖复合物的形式存在于秸秆中，在进行酶解之前将木聚糖-木质素键打破。水热法适宜的反应温度为135～140 ℃，蒸煮时间为30 min，在这种条件下反应，SEM下观察到半纤维素几乎完全从木质素去除，说明水热法可有效断裂半纤维素和木质素的连接键。酶解后木寡糖的产率为67.7 g(每100 g木聚糖）[26]。周静等[27]通过试验也证实了水热法能改变物料的结构和化学组分，且对半纤维素有较高的去除率，高达74.32%，结晶度指数也从28.80%（未处理的物料）升到32.29%（水热处理后的物料）。

2.6 超声波与微波辅助预处理法

超声波与微波法都是物理预处理法中的辅助技术，可以与化学法相结合，减少反应时间、提高反应速率，优化实验结果。

超声波利用超声震动使得反应物质在较低的温度及较短的时间内完成反应，一般作为碱法预处理的辅助技术。Zhang等[28]探讨了超声波对木质纤维素糖化过程的影响，超声波直接作用在底物上加速其降解，从而促进酶促反应。通过SEM与FTIR分析，超声波与碱法结合，更利于半纤维素的提取，超声条件为80 W和4 kHz，超声波频率低不会引起原料外观结构的改变。将超声辅助碱预处理和单碱水解预处理进行对比，发现碱浓度从8%降低到5%，水解时间从1.5 h降低到0.5 h，木质素的去除率提高了23.3%，半纤维素的降解率提高了12.1%。超声辅助碱预处理减少了反应时间，降低了碱的浓度，与前人的研究基本一致。Özbek等[29]为最大程度获得半纤维素回收率，采用超声波辅助碱法（UAAP）预处理开心果壳，利用Box-Behnken设计优化反应条件，发现最佳条件下半纤维素的回收率为57.67%。UAAP预处理法缩短了反应时间，降低了碱的浓度，是一种可靠、高效的预处理工艺。

微波加热频率在300 MHz～300 GHz，能使反应体系迅速升温，耗时最少，且加热均匀、节能高效、无污染，从而引起各界学者的广泛关注[30]。Yan等[31]在水热法的基础上，利用微波法辅助处理玉米芯，既环保可行又获得尽可能多的理想产物。微波加热与常规加热相比更具有优势，牟莉等[32]研究采用这两种加热方式降解纯纤维素，IR分析表明这两种加热方式下固体剩余物的结构相似，而SEM分析表明微波加热比常规加热更容易促进纤维素中糖苷键的断裂。

2.7 不同预处理方法比较

以上分别列举了原料预处理提取半纤维素的4 种化学法和3 种物理法，每种方法的反应机理各不相同，表1 对这几种方法进行对比[33]，以便在实际应用中选取合适的分离方法。

表1 几种玉米秸秆预处理方法比较Tab.1 Comparison of several pretreatment methods of corn stalk

合理、有效且高值化利用玉米秸秆为代表的农林生物质原料中的三大素是预处理的根本目的，上述几种预处理方法各有优势，例如碱性过氧化氢法以及水热法都属于环境友好型，符合当代环境问题之需。近些年研究者将两种方法相结合或通过改性某种方法来提取半纤维素、制备低聚木糖，缩短了反应时间，降低了反应条件，但相应引入一些新的问题有待进一步研究，例如半纤维素在提取过程中是否会降解以及产生一些副产物，从而影响产品的品质。

3 酶解法制备低聚木糖的分离与纯化

3.1 酶解法制备低聚木糖研究

木聚糖是玉米秸秆中半纤维素的主要成分，当前，大多数研究人员倾向于利用酶解法制备低聚木糖。木聚糖酶是一类水解酶，在高温下具有高度水解性和活性，可直接将木聚糖的β-1,4-糖苷键定向水解生成低聚木糖。由于水解物主要由木二糖、木三糖组成，很少或没有木糖的生成，其能做到“高低聚木糖，低单糖”，同时反应温和，对环境友好，因此木聚糖酶被认为是生产低聚木糖的理想用酶。

以上所述几种预处理方法通过破坏玉米秸秆结构，为酶解开辟通道。影响酶解反应的因素为酶的添加量、酶解温度、pH值、酶解时间等。张强等[34]通过单因素和正交实验分析得出几种反应因素对提取程度的影响：pH值＞酶解温度＞酶添加量＞酶解时间。可见木聚糖酶对pH很敏感，pH值直接影响木聚糖酶的活性以及酶与底物结合的情况，pH值过高或过低会影响酶的解离状态。温度和时间的适当升高和延长会加快反应速率，但是也不宜过高过长，一是延长时间、提高温度会浪费能量，二是过高的温度会破坏酶的活性。此外，酶的添加量对酶解具有很大影响，酶量不足会导致酶解不完全，酶量过高则增加成本。在建立与优化酶法制备低聚木糖的工艺过程中，Wu等[35]研究了一种热稳定型重组木聚糖酶用于水热法预处理的玉米芯，探讨了底物状态的影响，经自水解玉米芯得到的木聚糖有液体、固液混合两种状态。实验表明：固液混合体木聚糖作为水解底物，XOS的产率最高为26.4%，比液体木聚糖作为底物XOS的产率提高了6.8%。这是由于自水解得到的木聚糖来自原材料，始终存于固体中，易被木聚糖酶利用，而液体的作用就是吸附酶，使其与固体结合更加紧密，从而加速酶解。因此，固液混合状态的木聚糖更适宜用于制备低聚木糖。

3.2 低聚木糖分离与纯化

玉米秸秆制备的低聚木糖会呈现些许黄色，而且预处理和酶解过程中会引入一些杂质，影响低聚木糖的纯度。不同用途的低聚木糖要求也有差异，食品级低聚木糖纯度不能低于75%，而且聚合度不能过高，聚合度过高会影响低聚木糖的品质和生理活性。此外，伴随物质生活和精神生活水平的提高，人们更加关注身体的健康管理，追求天然健康的食品、保健品以及医药产品，对低聚木糖的纯度提出更高要求。

膜法纯化低聚木糖是一种高效、简易、能耗低的分离方法，尤其是超滤膜和纳滤膜，能在去除杂质的同时降低产物的聚合度。分离时，膜的种类、操作时的压力和温度、待纯化溶液的浓度等都会影响产物的纯度。纳滤能去除一些小分子杂质，保留二价盐、糖类等。超滤则常用于去除大分子的杂质或聚合度不同的低聚木糖分级[36]。如果操作条件得当，膜分离不仅能去除一些杂质，还能选择性去除一些色素等。李京[37]研究了超滤膜的不同截留分子量（MWCO）对盐分的去除率和木聚糖回收情况的影响，试验表明：用DK1812（MWCO150-300）除盐时，NaCl的脱盐率为94.08%时，总糖的脱盐率仅为10.53%，脱除效率很高。

此外，离子交换树脂、活性炭-乙醇法也是很有效的方法。孙军涛等[38]探讨了混合阴阳离子交换树脂对低聚木糖提取液脱色、除盐的影响，组分分析得到玉米芯低聚木糖提取液主要成分为木糖、木二糖、木三糖和木四糖，经混合离子交换树脂脱盐脱色后各成分的保留率分别为21.3%、31.4%、5.3%、3.8%。而使用活性炭-乙醇法分离获得高纯度低聚木糖需要选择适宜的活性炭种类以及乙醇浓度，由于低聚木糖属于非淀粉多糖类物质，乙醇浓度增大会增加低聚木糖的沉淀量。何欢[39]以玉米芯为研究对象，着重探讨了低聚木糖的脱色和醇沉的条件，正交试验表明：低聚木糖的脱色应采用35%的活性炭，在30 ℃处理40 min，醇沉时采用无水乙醇，此时，XOS（2-7）的含量达到72.5%，XOS（2-4）的含量达到 55.6%。

4 结语

玉米秸秆是一种值得进行高附加值开发的环境友好型农作物。由于玉米秸秆三大组分之间紧密相连，形成“钢筋混凝土”结构，因此需要预处理打破这种坚硬结构，从而使后续反应顺利进行。从原料方面来说，玉米秸秆髓芯中半纤维素含量较高，且为木聚糖类半纤维素，是制备低聚木糖的理想原料，在未来的研究中，可围绕玉米秸秆髓芯为原料制备低聚木糖，寻求一种色值高、纯度高、效率高、成本低、对环境友好的定向转化工艺。从产品来说，低聚木糖是一种市场潜力巨大的产品，在医药保健及食品等领域正逐渐占据重要地位，因此应围绕精制低聚木糖展开研究，寻求一种高效、无毒、无污染的食品级膜材料或者吸附剂，使纯化后的低聚木糖更安全、更适宜食用。